1 “新基建”概述
在2018年中央經濟工作會議上，“新基建”（新興基礎設施建設）的概念首次被提出。“新基建”的提出有著深層次的思考和訴求：一方面是基于當下全球的低增長經濟態勢、科技發展和創新領域的相對低潮期和逆全球化風險劇增等問題，為有效解決這些不利因素創造條件；另一方面是希望能從需求側推動產業的數字化發展和轉型升級，營造數字經濟進一步發展的優越環境，保證數字產業的持續競爭力。事實上，全球超過170個國家都發布了數字發展的相關戰略，包括美國的先進制造戰略、德國的工業4.0、日本的制造業創新3.0戰略等，由此可見，全球各國都把數字經濟看作其國民經濟的重要組成部分。我國在改革開放以來，在制造業取得的成績享譽全球，但近年來受到勞動人口紅利、土地資源供給等方面的制約，加上外部市場的不確定性，因此無法以傳統的規模擴張模式繼續發展經濟新動能。
2020年4月20日，國家發展和改革委員會對“新基建”的范圍正式做出了解讀，指出“新基建”是以新發展理念為引領，以技術創新為驅動，以信息網絡為基礎，面向高質量發展需要，提供數字轉型、智能升級、融合創新等服務的基礎設施體系，包括三個方面的內容（如圖1所示）：一是包括以5G、物聯網、工業互聯網、衛星互聯網為代表的通信網絡基礎設施；以人工智能、云計算、區塊鏈等為代表的新技術基礎設施，以數據中心、智能計算中心為代表的算力基礎設施等在內的信息基礎設施；二是以深度應用互聯網、大數據、人工智能等技術為基礎支撐傳統基礎設施轉型的融合基礎設施；三是能夠支撐科學研究、技術開發、產品研制的具有公益屬性的基礎設施。
圖1 “新基建”的內涵
狹義的新基建包括5G網絡、人工智能、工業互聯網、物聯網、數據中心、充電樁等領域的集合，這也是當前新基建最為核心的部分；廣義的新基建除狹義的“新基建”外，還可包括利用新一代信息技術對傳統基礎設施的改造升級，即傳統基礎設施的數字化改造領域。
2 5G是“新基建”中的核心領域
5G作為當前信息基礎設施的核心引領技術，具有高速率、大容量、低時延、高可靠等諸多優勢。利用5G網絡切片、邊緣計算、超級上級等關鍵技術，可以面向特定行業的需求構建定制專網，實現網絡時延、網絡速率、QoS保障、安全隔離等重點因素的差異化能力，為垂直行業的信息化、智能化和數字化轉型進行深層次賦能。
2.1 5G賦能數字社會
人類一直生活工作在傳統的物理社會中，所處環境包含著大量的實體設備以及生活生產要素，但未來的數字社會將通過數據來反映傳統物理社會中的物體相關狀態，并通過更智能的手段來感知與控制社會中的各項功能，因此需要新一代信息技術為其提供基礎保障，實現實時數據傳輸與實時交互映射。人類自從懂得利用電磁波進行無線通信以來，一直在為如何讓通信質量變得更好而努力，所謂的通信質量，包括了傳輸帶寬、通信時延和網絡容量等，這些指標一直成為制約無線通信應用發展的瓶頸。5G的高帶寬、低時延和大連接網絡特性，正好解決了這些發展瓶頸，因此將有效地賦能于數字社會。
2.2 5G推動萬物互聯
回顧人類前幾代移動通信技術，第一代移動通信技術主要通過模擬電路實現了人類間“行走的通話”；第二代移動通信技術實現了數字化，大幅度提升了通話的質量，也降低了移動終端的成本，為個人化通信的普及作出了貢獻；第三代移動通信技術則實現了移動互聯，人類通過手機除了可以語音交流之外，還可拓展到看圖片和看視頻等多元化的信息交互方式；第四代移動通信則更好地滿足了人類在移動互聯方面的需求，各項感知上比以往更流暢更舒適。但縱觀前四代移動通信技術，僅僅實現了人與人之間的互聯，并為轉變到人與物、物與物之間的通信。5G的出現，使萬物互聯不再停留在概念階段。
2.3 5G成為我國名片
我國的移動通信產業發展起步較晚，曾經歷了“1G空白、2G跟隨、3G突破、4G同步”的階段，在多年的積累中，已具備“5G引領”的基礎。在標準方面，3GPP Rel-16標準已于2020年7月凍結，我國在3GPP文稿中占比超過32%，5G標準必要專利占比超過30%，是在標準與專利方面占比最高的國家。此外，在5G基站建設數量上，我國也處于全球領先地位。據統計，2020年，全國累計建成5G基站超過71.8萬個，5G網絡已覆蓋全國地級以上城市，5G終端連接數超過2億。再者，在系統設備方面，目前已形成了以歐洲和我國為主的產業格局，華為目前已成為全球獲得商業合同最多的企業。
2.4 5G與工業互聯網可有機融合
如上文所述，5G能推動人工智能、工業互聯網、物聯網、數據中心應用等領域的發展，因此在面向具體領域時，不能簡單粗暴地將5G作為數據傳輸的渠道，更需與各行業深度融合，制定5G與各行業的一體化數字解決方案和智能解決方案。
在5G網絡的加持下，工業互聯網可實現網絡+數據+算法的有機融合，發揮出更大的價值。5G與工業互聯網的有機融合是實現智能制造的關鍵途徑，在5G為代表的新技術推動下，制造業數字化轉型從單一要素需求轉向“要素+能力”一站式服務，如圖2所示，通過5G的融合，以云計算、邊緣計算為代表的計算技術，為制造業高效、準確地分析大量數據提供了有力支撐；產業鏈各環節產生的大量數據是驅動智能制造提高精準度的核心；以人工智能、機理模型等為代表的算法技術幫助智能制造發現規律并提供智能決策支撐。
圖2 5G賦能制造業體系架構變革
3 工業互聯網的發展現狀
3.1 工業互聯網發展存在的問題
與主流發達國家相比，我國的工業互聯網在基礎能力、產業應用水平和要素保障能力上仍然存在一定差距，需加速突破。
（1）基礎能力不足
我國現有的制造業顯現出數字化發展不平衡不充分的特點，雖然有部分企業達到了3.0水平，但大部分企業仍然處于2.0階段，數字化水平較低，網絡化、智能化演進基礎薄弱；工業網絡標準、技術、產業對外依賴度較高，且未形成統一標準，互通性較弱；工廠外網主要依賴于公網，難以滿足工業生產的安全、實時和可靠要求；IPv4資源接近枯竭，難以應對工業互聯網發展的大量地址需求；中小企業經營者對工業互聯網建設的重要性認識和投入均有待提高。
（2）引領發展能力不足
我國缺乏具備綜合解決方案和全領域覆蓋能力的龍頭企業，企業的前瞻性、系統性和技術含量不足，難以引領國際發展；工業互聯網的產品和解決方案與發達國家領先水平存在一定差距；國內平臺的核心能力和生態建設仍然有待提高。
（3）要素保障能力不足
我國的工業互聯網要素保障能力主要體現在資金投入和專業人才兩方面。針對工業互聯網領域的資金投入不足，難以造成規模效應；在專業人才培養方面，由于工業互聯網發展涉及工業、IT和通信等領域的多維度整合，適合工業互聯網發展的專業人才除了需要精通軟件開發和應用開發之外，還需同時對工業和ICT領域有深入了解，目前人才缺口依然巨大。
3.2 5G+工業互聯網面臨的挑戰
從產業整體觀察，當前5G+工業互聯網面臨著規模小、價值不清晰、試驗性示范多、應用創新碎片化、商業模式不明朗等挑戰，具體可歸結為以下三點：
（1）成本結構未清晰
雖然無線電頻譜的使用成本是透明的，但由于當前5G網絡的覆蓋率比起4G網絡仍然處于較低水平，此外制造企業對于5G網絡與其必需組件的部署費用、新系統新應用的開發、操作以及后續運營維護成本等仍然缺乏了解。
（2）安全可靠未明確
大部分制造企業目前由于缺乏移動連接的使用經驗，企業對于5G網絡安全可靠方面的信心尚未建立，對于當今對工序鏈時序要求嚴格的企業而言，網絡連接中斷是不可接受的。只有當技術效益和成本優勢明顯，并且風險被證明處于可控范圍時，制造企業對5G網絡的需求才會開始增加。
（3）通信模組未成熟
目前能真正獨立且通過時間檢驗的工業5G基礎設施仍然較少，同時產業鏈上也缺乏足夠的工業兼容通信組件可用，只有少數模塊制造商已經開始為工業互聯網領域生產了5G模組，但尚未形成規模效應。
3.3 工業互聯網的政策現狀
近年來，我國政府相關部門對工業互聯網的發展提供了較堅實的政策后盾，為工業互聯網領域的發展提供了指引。2018年6月，《工業互聯網發展行動計劃（2018-2020）》提出，到2020年底我國將實現“初步建成工業互聯網基礎設施和產業體系”的發展目標，包括了建成5個左右標識解析國家頂級節點、遴選10個左右跨行業跨領域平臺、推動30萬家以上工業企業上云、培育超過30萬個工業APP等內容。
經歷了三年的發展，2021年1月，工業和信息化部再次印發了《工業互聯網創新發展行動計劃（2021-2023年）》，提出到2023年，我國工業互聯網新型基礎設施建設量質并進，新模式、新業態大范圍推廣，產業綜合實力顯著提升；新型基礎設施進一步完善、融合應用成效進一步彰顯、技術創新能力進一步提升、產業發展生態進一步健全、安全保障能力進一步增強。新版本的行動計劃明確將開展網絡體系強基行動、標識解析增強行動、平臺體系壯大行動、數據匯聚賦能行動、新型模式培育行動、融通應用深化行動、關鍵標準建設行動、技術能力提升行動、產業協同發展行動、安全保障強化行動、開放合作深化行動等11項重點任務。其中，在“網絡體系強基行動”該項重點任務中，特別提及了需深化“5G+工業互聯網”，這為5G+工業互聯網后續的推進和發展提供了明確的政策指引方向。
3.4 5G+工業互聯網的發展趨勢
如前文所述，盡管目前仍存在著一些挑戰，但5G+工業互聯網仍然有著良好的發展前景。依照《工業互聯網創新發展行動計劃（2021-2023年）》中提及的“深化‘5G+工業互聯網的具體任務，后續的推進措施包括了如下三方面：
（1）支持工業企業建設5G全連接工廠，推動5G應用從外圍輔助環節向核心生產環節滲透，加快典型場景推廣；
（2）探索5G專網建設及運營模式，規劃5G工業互聯網專用頻率，開展工業5G專網試點；
（3）建設公共服務平臺，提供5G網絡化改造、應用孵化、測試驗證等服務。
由此可見，在應用范圍上將不斷從外到內滲透形成5G全連接的環境，在網絡環境構建上通過5G專網解決制造企業對數據隱私安全和實時可靠的痛點，將成為5G+工業互聯網的發展趨勢。此外，由于5G+工業互聯網和目前制造企業主流的網絡標準存在兼容度不足的問題，因此也需不斷進行測試驗證，持續迭代，逐步完善解決方案。
4 5G+工業互聯網的推進建議
4.1 5G全連接
5G具備更低的時延、更高的速率、更大接入數量、更高穩定性，有望成為未來工業互聯網的網絡基石。按制造企業不同場景的網絡指標要求（如表1所示），5G預計能滿足70%以上的工業控制場景。
表1 制造企業不同場景的網絡指標要求
現有的大部分制造企業的工業互聯網應用只著眼于外圍輔助功能，較少涉及核心的生產環節。5G全連接與現有的傳統數字工廠最大的區別，在于以數據來驅動管理。制造企業可結合人工智能、大數據和云計算等新技術，通過5G工業生產網絡連接工廠內部的全生產要素，包括人、機、料、法、環等，實現車間內的柔性化連接，從而大幅度提升生產效率。
4.2 5G專網建設
5G專網可分為兩種模式，一類是基于公網的5G專網，另一類是基于NPN（Non-Public Network）的5G專網。按照3GPP Rel-16的定義，基于NPN的5G專網也包含兩種類型：PNI-NPN（Public Network Integrated NPN）和SNPN（Standalone NPN），如圖3所示。PNI-NPN通過PLMN網絡來提供NPN服務，相當于利用運營商的公網來部署5G+工業互聯網，例如通過為NPN分配一個或多個網絡切片實體來實現非公共網絡功能，但由于網絡切片不能限制終端在其未授權的網絡切片區域中嘗試接入網絡，因此可以選擇閉合接入組（CAG，Cell Access Group）用于接入控制。SNPN則不依賴于PLMN的網絡功能，相當于獨立部署5G+工業互聯網，因此不支持SNPN和PLMN網絡間的切換，無法在小區選擇和重選階段控制不同類型用戶接入。
圖3 5G專網的建設模式
因此，在5G專網建設的選擇上，可根據不同需求使用不同的建設模式。在側重于低建設與維護成本，需要快速部署時，應選擇基于運營商公網部署的方案；在對差異化服務有要求時，為便于在SNPN和PLMN網絡間實現切換，應選擇PNI-NPN方案；在對保密性有較高要求時，且對應的制造企業有較強的經濟實力和技術能力的情況下，應選擇獨立部署的SNPN方案。
4.3 5G網絡化改造
工業有線網絡主要分為現場總線與工業以太網，適合于帶寬、可靠性、實時性要求高且位置相對固定的設備接入。用于生產的現場總線協議多達幾十種，包括主流的Modbus、Profibus、IO-link、CAN/CANopen、CC-link等，主要用于PLC南向的簡單數據量和模擬量接入，傳輸距離一般較短，數據傳輸速率較低，抗干擾能力、安全性相對較差。工業以太網同樣協議數量眾多，主流協議有DeviceNet、Profinet、EtherCAT、EtherNet/IP、Modbus-TCP，多數用于PLC北向輸出，其優點是通信速率高、網絡拓撲靈活，但存在協議間互聯互通性較差等問題，難以進行靈活部署與快速擴展。
工業無線網絡主要包括WiFi、LoRa、ZigBee、ISA 100.11a、Wireless Hart、WIA FA/PA等，適用于廣覆蓋、移動性強但可靠性、帶寬要求不高的場景。在各種工業無線網絡協議中，WiFi部署容易、組網靈活，但可靠性和安全性難以滿足工業級需求；ZigBee等技術受限于傳輸距離或傳輸速率。
由此可見，工業制造領域使用的無線通信協議眾多、各有不足且相對封閉，工業設備互聯互通難，嚴重制約了設備上云，亟需構建能夠兼容多種協議的新一代無線技術體系，因此需進行5G網絡化改造，在此基礎上孵化新的5G+工業互聯網應用，并對新應用進行測試驗證。
5 結束語
2021年是”十四五“的開局之年，預計我國將繼續通過5G的增強試驗加快推進5G上下游產業的成熟。未來5年將進入我國5G發展的關鍵時期，5G+工業互聯網建設也將大大提速，形成智能化制造、網絡化協同、服務化延伸、個性化定制、數字化管理等新模式。
